海洋观测高频声学换能器降耦合效应机理与验证技术研究

The high frequency acoustic transducer mainly uses the thickness vibration mode as the working mode. In practical engineering, for the piezoelectric disk oscillator, the coupling effect in the lateral direction always exists, and there is no ideal thickness vibration mode. If the size ratio of the wafer is appropriate, the lateral coupling effect is weak; if the size ratio is not suitable, the lateral coupling effect will be strong. The coupling action will cause the vibration displacement of the vibrator surface to be reversed, the internal stress concentration, and the heat accumulation during long-time operation, which has a negative impact on the electroacoustic efficiency, directionality and performance stability of the transducer, and will be greatly reduced in severe cases. Observing system performance and reliability. Reducing the coupling effect and improving the performance of the transducer is a scientific problem that needs to be solved urgently. The research contents of this project include: firstly study the theory of transversely coupled vibration of piezoelectric wafers, optimize the size and structure; secondly study the coupled vibration theory of high temperature piezoelectric ceramic wafers, explore the coupling effect characteristics of high temperature piezoelectric materials; re-examine the multiphysics The performance and mechanism of the high-frequency transducer; finally, the experimental verification research was carried out by developing a low-coupling high-frequency acoustic transducer. The research results of this project can be widely used in ocean observation equipment such as multi-beam image sonar and detection obstacle avoidance sonar.

高频声学换能器主要利用厚度振动模式作为工作模式。实际工程中，对压电圆片振子而言,横向方向的耦合作用总是存在的，不存在理想的厚度振动模式。若圆片的尺寸比例合适，横向耦合作用较弱；若尺寸比例不合适，横向耦合作用会很强。耦合作用会使振子表面的振动位移出现反相，内部应力集中，长时间工作时热量聚集，对换能器的电声效率、方向性以及性能稳定性等方面产生负面影响，严重时会大大降低观测系统的观测性能和可靠性。降低耦合效应，提高换能器的工作性能，是一个迫切需要解决的科学问题。本项目的研究内容包括：首先研究压电圆片横向耦合振动理论，优化尺寸和结构；其次研究高温压电陶瓷圆片耦合振动理论，探究高温压电材料的耦合效应特性；再次研究多物理场高频换能器的性能及机理；最后通过研制低耦合高频声学换能器进行实验验证研究。本项目研究成果可在多波束图像声纳、探测避障声纳等海洋观测设备上得到广泛应用。

高频换能器是水声探测，乃至海洋观测的基础。发展高频换能器技术，提升高频换能器的工作效率对提高水声探测技术有重要的促进作用。对于压电振子厚度振动模式而言，耦合效应总是存在的，在实际工程中不存在理想的厚度振动模式，耦合会使振子表面的振动位移出现反相，内部应力集中，长时间工作时热量聚集，影响换能器的电声效率、方向性以及性能稳定性等，开展高频声学换能器降耦合效应机理与验证技术研究，不仅对工程上设计高频换能器具有实际的重要的指导意义。. 本项目的研究内容包括：首先研究压电圆片横向耦合振动理论，优化尺寸和结构；其次研究高温压电陶瓷圆片耦合振动理论，探究高温压电材料的耦合效应特性；再次研究多物理场高频换能器的性能及机理；最后通过研制低耦合高频声学换能器进行实验验证研究。. 项目开展了经典常规压电圆片的厚度振动理论研究，仿真压电圆片的厚度振动模态，计算厚度振动频率、高阶径向振动频率以及各种耦合频率，指出径向高阶对厚度振动频率的耦合影响。项目提出采用中孔压电圆片的压电陶瓷进行径向高阶模态的调控，利用中心孔的尺寸进行调节，降低径向高阶模态对厚度振动模态的影响。项目还研究大各向异性压电陶瓷圆片耦合振动，探究大各向异性压电材料的耦合效应特性，研制低耦合高频声学换能器，并进行实验验证研究。结果表明：尺寸调控的方法对高频换能器模态振动具有明显的降耦合作用，可提高圆片换能器的发射能力，改善接收阵指向性特性，利用压电材料的各向异性也可以降低压电振子的横向耦合对厚度振动模态的影响。. 项目开展过程中，项目组开展了多种高频换能器的研制，利用压电振子的结构尺寸降耦合，设计解决了某产品因耦合影响强，导致振动模式不纯，产品质量不高，工作效率较低的难题。本项目的成果可以在高频声呐领域广泛应用，特别是近几十年来快速发展的海洋声学探测高新技术装备，如多波束测深声呐、侧扫声呐、浅底层剖面仪和合成孔径声呐等。